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JP5109161B2 - Method for producing perfluoropolymer, production apparatus, and method for producing electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Method for producing perfluoropolymer, production apparatus, and method for producing electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、パーフルオロポリマーの製造方法、製造装置、および固体高分子形燃料電池用電解膜の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a perfluoropolymer, a production apparatus, and a method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.

パーフルオロポリマーは、化学プラント、半導体製造装置等のコーティング;電線、光ファイバ等の被覆;自動車部品等様々な分野で用いられている。最近では、−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーは、固体高分子形燃料電池用電解質膜の材料として注目されている。 Perfluoropolymers are used in various fields such as coatings for chemical plants, semiconductor manufacturing equipment, etc .; coatings for electric wires, optical fibers, etc .; automobile parts. Recently, perfluoropolymers having —SO 3 H groups have attracted attention as materials for electrolyte membranes for polymer electrolyte fuel cells.

しかし、パーフルオロポリマーは、パーフルオロカーボン等のパーフルオロモノマーを重合して得られた直後では完全にパーフルオロ化されておらず、分子鎖末端の一部に、−COOH基、−CF=CF2 基、−COF基、−CF2 H基等の不安定な官能基(以下、不安定末端基と記す。)を有する。そのため、燃料電池の電解質として長時間使用すると、不安定末端基の存在によりパーフルオロポリマーがしだいに分解し、発電電圧の低下が起こる問題がある。また、パーフルオロポリマーの分解に伴って電解質膜の機械的強度が低下し、ピンホール、割れ、剥離等が生じ、燃料電池が使用できなくなる問題がある。 However, the perfluoropolymer is not completely perfluorinated immediately after being obtained by polymerizing a perfluoromonomer such as perfluorocarbon, and a —COOH group, —CF═CF 2 is attached to a part of the molecular chain end. Group, a —COF group, a —CF 2 H group and other unstable functional groups (hereinafter referred to as unstable terminal groups). For this reason, when used as a fuel cell electrolyte for a long time, there is a problem that the perfluoropolymer gradually decomposes due to the presence of unstable end groups, resulting in a decrease in generated voltage. Further, as the perfluoropolymer is decomposed, the mechanical strength of the electrolyte membrane is lowered, causing pinholes, cracks, peeling, and the like, which makes it impossible to use the fuel cell.

不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーの製造方法としては、以下の方法が提案されている。
テトラフルオロエチレンとCF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF22SO2Fとの共重合体からなる、厚さ2mmのシートを耐圧反応容器に入れ、190℃で4時間フッ素化処理を施す方法(特許文献1)。
The following method has been proposed as a method for producing a perfluoropolymer with reduced unstable end groups.
A sheet of 2 mm thickness made of a copolymer of tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 2 SO 2 F is placed in a pressure resistant reactor and fluorinated at 190 ° C. for 4 hours. A method of performing processing (Patent Document 1).

しかし、該方法では、以下の問題がある。
(i)耐圧反応容器の昇温に数時間、降温に数時間かかる。
(ii)シートが厚いため、中心までフッ素化するために数時間かかる。
(iii)フッ素化処理の時間を短縮するためにシートの厚さを薄くしたとしても、1回の処理で製造できるパーフルオロポリマーの量が少なくなる。
(iv)パーフルオロポリマーを耐圧反応容器から取り出すためには、フッ素ガスを完全に抜き出す必要があるが、耐圧反応容器からフッ素ガスを抜き出し、耐圧反応容器内を窒素ガスで置換するために長時間(1日程度)かかる。
(v)バッチ式のため、連続してフッ素化処理を行えない。
However, this method has the following problems.
(I) It takes several hours to raise the temperature of the pressure resistant reactor and several hours to lower it.
(Ii) Since the sheet is thick, it takes several hours to fluorinate to the center.
(Iii) Even if the thickness of the sheet is reduced in order to shorten the time of the fluorination treatment, the amount of perfluoropolymer that can be produced by one treatment is reduced.
(Iv) In order to remove the perfluoropolymer from the pressure resistant reactor, it is necessary to completely extract the fluorine gas, but it takes a long time to extract the fluorine gas from the pressure resistant reactor and replace the inside of the pressure resistant reactor with nitrogen gas. It takes about a day.
(V) Because of the batch type, continuous fluorination treatment cannot be performed.

(i)〜(v)の問題から、特許文献1に記載の方法では、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーを効率よく製造できないという問題がある。
国際公開第2004/102714号パンフレット(第9頁の例1)
From the problems (i) to (v), the method described in Patent Document 1 has a problem that a perfluoropolymer with reduced unstable terminal groups cannot be efficiently produced.
International Publication No. 2004/102714 Pamphlet (Example 1 on page 9)

本発明は、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーを効率よく製造できる製造方法、製造装置、および耐久性に優れた固体高分子形燃料電池用電解質膜を効率よく製造できる製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a production method capable of efficiently producing a perfluoropolymer with reduced unstable end groups, a production apparatus, and a production method capable of efficiently producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell excellent in durability. The purpose is to do.

本発明のパーフルオロポリマーの製造方法は、パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を押出成形してストランドとし、該ストランドにフッ素ガスを3〜50体積%含むガスを接触させる処理を含むことを特徴とする。
本発明のパーフルオロポリマーの製造方法においては、150〜350℃にてストランドにフッ素ガスを含むガスを接触させることが好ましい。
The method for producing a perfluoropolymer of the present invention includes a treatment in which a polymer obtained by polymerizing a perfluoromonomer is extruded to form a strand, and a gas containing 3 to 50% by volume of fluorine gas is brought into contact with the strand. It is characterized by that.
In the method for producing a perfluoropolymer of the present invention, it is preferable that a gas containing fluorine gas is brought into contact with the strand at 150 to 350 ° C.

重合体は、−SO2 F基を有することが好ましい。
重合体は、テトラフルオロエチレンと、下式(1)で表される化合物との共重合体であることが好ましい。
CF2=CF(OCF2CFX)p(O)q(CF2nSO2F・・・(1)
ただし、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、pは0〜8の整数であり、qは0または1であり、nは0〜8の整数であり、p+n>0である。
The polymer preferably has a —SO 2 F group.
The polymer is preferably a copolymer of tetrafluoroethylene and a compound represented by the following formula (1).
CF 2 = CF (OCF 2 CFX) p (O) q (CF 2 ) n SO 2 F (1)
However, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, p is an integer of 0 to 8, q is 0 or 1, n is an integer of 0 to 8, and p + n> 0.

本発明のパーフルオロポリマーの製造方法においては、パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を溶融・押出手段にて溶融して押し出し、押し出された溶融重合体を複数の孔が形成されたダイに通してストランドとすることが好ましい。
本発明のパーフルオロポリマーの製造装置は、パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を溶融して押し出す溶融・押出手段と、押し出された溶融重合体をストランドとする、複数の孔が形成されたダイと、ストランドにフッ素ガスを3〜50体積%含むガスを接触させるフッ素化槽とを具備することを特徴とする。
In the method for producing perfluoropolymer of the present invention, a polymer obtained by polymerizing perfluoromonomer is melted and extruded by a melting / extrusion means, and a plurality of holes are formed in the extruded molten polymer. It is preferable to make it a strand through a die.
The perfluoropolymer production apparatus of the present invention has a plurality of pores formed by melting and extruding means for melting and extruding a polymer obtained by polymerizing perfluoromonomer, and using the extruded molten polymer as a strand. And a fluorination tank in which a gas containing 3 to 50% by volume of fluorine gas is brought into contact with the strand.

本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法は、本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーを得た後、当該パーフルオロポリマーを成形して膜とし、該膜に加水分解処理および酸型化処理を施すことを特徴とする。
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法は、本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーを得た後、当該パーフルオロポリマーに加水分解処理および酸型化処理を施し、処理後のパーフルオロポリマーを成形して膜とすることを特徴とする。
The method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is obtained by obtaining a perfluoropolymer having —SO 2 F groups by the method for producing a perfluoropolymer of the present invention, and then molding the perfluoropolymer. The film is characterized by being subjected to hydrolysis treatment and acidification treatment.
The method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is obtained by obtaining a perfluoropolymer having —SO 2 F group by the method for producing a perfluoropolymer of the present invention, and then hydrolyzing the perfluoropolymer. And an acid-forming treatment, and the treated perfluoropolymer is formed into a film.

本発明のパーフルオロポリマーの製造方法によれば、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーを効率よく製造できる。
本発明のパーフルオロポリマーの製造装置によれば、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーを効率よく製造できる。
本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法によれば、耐久性に優れた固体高分子形燃料電池用電解質膜を効率よく製造できる。
According to the method for producing a perfluoropolymer of the present invention, a perfluoropolymer with reduced unstable end groups can be produced efficiently.
According to the perfluoropolymer production apparatus of the present invention, it is possible to efficiently produce a perfluoropolymer with reduced unstable terminal groups.
According to the method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell excellent in durability can be efficiently produced.

本明細書においては、式(1)で表される化合物を化合物(1)と記す。他の式で表される化合物も同様に記す。   In the present specification, a compound represented by the formula (1) is referred to as a compound (1). The same applies to compounds represented by other formulas.

〔形態例1〕
(パーフルオロポリマーの製造装置)
図1は、本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の一例を示す概略構成図である。パーフルオロポリマーの製造装置10は、溶融・押出手段11と、該溶融・押出手段11の先端に取り付けられた、複数の孔が形成されたダイ12と、該ダイ12が頭部に取り付けられたフッ素化槽13とを具備するものである。
[Example 1]
(Perfluoropolymer production equipment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an apparatus for producing a perfluoropolymer of the present invention. The perfluoropolymer manufacturing apparatus 10 includes a melting / extrusion means 11, a die 12 attached to the tip of the melting / extrusion means 11 and having a plurality of holes, and the die 12 attached to the head. And a fluorination tank 13.

溶融・押出手段11としては、単軸押出機、二軸押出機、コニカルフィーダ、ギアポンプ等が挙げられ、安定して溶融重合体を押し出せる点で、単軸押出機が好ましい。図1は、単軸押出機の例である。   Examples of the melting / extrusion means 11 include a single-screw extruder, a twin-screw extruder, a conical feeder, a gear pump, and the like. A single-screw extruder is preferable in that the molten polymer can be stably extruded. FIG. 1 is an example of a single screw extruder.

ダイ12の孔径は、0.5〜5mmが好ましく、1〜3mmが特に好ましい。孔径を0.5mm以上とすることにより、ストランドが切れにくくなる。孔径を5mm以下とすることにより、ストランドが太くなりすぎず、フッ素ガスの拡散距離が充分に短くなり、不安定末端基を充分にフッ素化できる。
ダイ12の孔の数は、多いほどパーフルオロポリマーを効率よく製造できる。同じ処理量でも、ダイ12の孔径を大きくするのではなくストランドの数を増やしてストランドの径を小さくすることにより、効率よく処理できる。ダイ12の孔の数は、フッ素化槽13の内径等に応じて適宜設定すればよい。
The hole diameter of the die 12 is preferably 0.5 to 5 mm, particularly preferably 1 to 3 mm. By setting the hole diameter to 0.5 mm or more, the strand is difficult to break. By setting the pore diameter to 5 mm or less, the strand does not become too thick, the diffusion distance of the fluorine gas becomes sufficiently short, and the unstable end group can be sufficiently fluorinated.
The larger the number of holes in the die 12, the more efficiently the perfluoropolymer can be produced. Even with the same processing amount, it is possible to process efficiently by increasing the number of strands and reducing the diameter of the strands instead of increasing the hole diameter of the die 12. The number of holes in the die 12 may be appropriately set according to the inner diameter of the fluorination tank 13 or the like.

フッ素化槽13としては、頭部にダイ12の取り付け口、側面にガス供給口14およびガス排気口15、底部にポリマー取り出し口16を有する縦型の円筒管17と、該円筒管17の周囲に取り付けられたヒータ18とを有するものである。円筒管の材料としては、ニッケルが好ましい。なお、図1ではガス供給口14をフッ素化槽13の上方部に、ガス排気口15を下方部に配置しているが、これらの位置は逆であってもよい。すなわち、ガス供給口14をフッ素化槽13の下方部に、ガス排気口15を上方部に配置してもよい。   The fluorination tank 13 includes a vertical cylindrical pipe 17 having a die 12 attachment port at the head, a gas supply port 14 and a gas exhaust port 15 at the side surface, and a polymer outlet 16 at the bottom, and a periphery of the cylindrical tube 17. And a heater 18 attached to the. The material for the cylindrical tube is preferably nickel. In FIG. 1, the gas supply port 14 is disposed at the upper part of the fluorination tank 13 and the gas exhaust port 15 is disposed at the lower part. However, these positions may be reversed. That is, the gas supply port 14 may be disposed in the lower part of the fluorination tank 13 and the gas exhaust port 15 may be disposed in the upper part.

(パーフルオロポリマーの製造方法)
パーフルオロポリマーの製造装置10を用いたパーフルオロポリマーの製造は、以下のように行われる。
(i)1種または2種以上のパーフルオロモノマーを重合して重合体を得る。
(ii)得られた重合体を溶融・押出手段11にて溶融し、ダイ12へ押し出す。
(iii)押し出された溶融重合体をダイ12に通してストランド1とする。
(iv)ストランド1をフッ素化槽13内で降下させながら、該ストランド1にフッ素ガスを含むガスを接触させる。
(v)フッ素化槽13の底部に溜まったパーフルオロポリマー2をポリマー取り出し口16から取り出す。
該(ii)から(v)工程は、図1に示すように、各工程を実施する溶融・押出手段11、ダイ12およびフッ素化槽13が連なって一体に設けられたパーフルオロポリマーの製造装置10によって、連続的に行われる。
(Method for producing perfluoropolymer)
Perfluoropolymer production using the perfluoropolymer production apparatus 10 is performed as follows.
(I) A polymer is obtained by polymerizing one or more perfluoromonomers.
(Ii) The obtained polymer is melted by the melting / extrusion means 11 and extruded to the die 12.
(Iii) The extruded molten polymer is passed through a die 12 to form a strand 1.
(Iv) While the strand 1 is lowered in the fluorination tank 13, the strand 1 is brought into contact with a gas containing fluorine gas.
(V) The perfluoropolymer 2 accumulated at the bottom of the fluorination tank 13 is taken out from the polymer outlet 16.
The steps (ii) to (v) are, as shown in FIG. 1, a perfluoropolymer production apparatus in which a melting / extrusion means 11, a die 12 and a fluorination tank 13 for performing each step are integrally provided. 10 is performed continuously.

パーフルオロモノマーとしては、−SO2 F基を有するパーフルオロビニル化合物、パーフルオロオレフィン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等が挙げられる。 Examples of the perfluoromonomer include a perfluorovinyl compound having a —SO 2 F group, a perfluoroolefin, and perfluoro (alkyl vinyl ether).

−SO2 F基を有するパーフルオロビニル化合物としては、たとえば化合物(1)が挙げられる。
CF2=CF(OCF2CFX)p(O)q(CF2nSO2F・・・(1)
ただし、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、pは0〜8の整数であり、qは0または1であり、nは0〜8の整数であり、p+n>0である。
Examples of the perfluorovinyl compound having a —SO 2 F group include the compound (1).
CF 2 = CF (OCF 2 CFX) p (O) q (CF 2 ) n SO 2 F (1)
However, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, p is an integer of 0 to 8, q is 0 or 1, n is an integer of 0 to 8, and p + n> 0.

化合物(1)としては、化合物(1−1)〜(1−4)が挙げられる。
CF2=CFO(CF2rSO2F・・・(1−1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2sSO2F・・・(1−2)
CF2=CF(CF2tSO2F・・・(1−3)
CF2=CF[OCF2CF(CF3)]zO(CF22SO2F・・・(1−4)
ただし、rは1〜9の整数であり、sは1〜8の整数であり、tは0〜8の整数であり、zは2または3である。
Examples of compound (1) include compounds (1-1) to (1-4).
CF 2 = CFO (CF 2 ) r SO 2 F (1-1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) s SO 2 F (1-2)
CF 2 = CF (CF 2 ) t SO 2 F (1-3)
CF 2 = CF [OCF 2 CF (CF 3)] z O (CF 2) 2 SO 2 F ··· (1-4)
However, r is an integer of 1-9, s is an integer of 1-8, t is an integer of 0-8, z is 2 or 3.

パーフルオロオレフィンとしては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等が挙げられる。   Examples of the perfluoroolefin include tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene.

パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)としては、たとえば化合物(2)が挙げられる。
CF2=CF(OCF2CFY)yORf・・・(2)
ただし、Yはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、yは0〜3の整数であり、Rf はパーフルオロアルキル基である。
Examples of perfluoro (alkyl vinyl ether) include compound (2).
CF 2 = CF (OCF 2 CFY) y OR f (2)
However, Y is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, y is an integer of 0 to 3, and Rf is a perfluoroalkyl group.

化合物(2)としては、化合物(2−1)〜(2−3)が挙げられる。
CF2=CFO(CF2vCF3・・・(2−1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2wCF3・・・(2−2)
CF2=CF[OCF2CF(CF3)]xO(CF22CF3・・・(2−3)
ただし、vは1〜8の整数であり、wは1〜8の整数であり、xは1〜3の整数である。
Examples of compound (2) include compounds (2-1) to (2-3).
CF 2 = CFO (CF 2 ) v CF 3 (2-1)
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) w CF 3 (2-2)
CF 2 = CF [OCF 2 CF (CF 3)] x O (CF 2) 2 CF 3 ··· (2-3)
However, v is an integer of 1-8, w is an integer of 1-8, and x is an integer of 1-3.

パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体(以下、重合体と記す。)としては、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)との共重合体(以下、PFAと記す。)、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(以下、FEPと記す。)、−SO2 F基を有する重合体等が挙げられる。固体高分子形燃料電池用電解質膜の原料としては、−SO2 F基を有する重合体が好ましく、テトラフルオロエチレンと化合物(1)との共重合体(以下、共重合体(A)と記す。)が特に好ましい。 As a polymer obtained by polymerizing perfluoromonomer (hereinafter referred to as polymer), a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro (alkyl vinyl ether) (hereinafter referred to as PFA), tetrafluoro Examples thereof include a copolymer of ethylene and hexafluoropropylene (hereinafter referred to as FEP), a polymer having a —SO 2 F group, and the like. As a raw material for the electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer having a —SO 2 F group is preferable, and a copolymer of tetrafluoroethylene and compound (1) (hereinafter referred to as copolymer (A)). .) Is particularly preferred.

重合体の溶融温度(溶融・押出手段11内の温度)は、共重合体(A)の場合、180〜240℃が好ましく、PFAの場合、330〜380℃が好ましく、FEPの場合、310〜360℃が好ましい。
重合体の押出速度(g/分)は、ダイ12の孔の数、孔径、フッ素化槽13の長さに応じて、ストランドとフッ素ガスを含むガスとの接触時間およびストランド径が後述の好ましい範囲となるように適宜設定すればよい。
The melting temperature of the polymer (the temperature in the melting / extrusion means 11) is preferably 180 to 240 ° C in the case of the copolymer (A), preferably 330 to 380 ° C in the case of PFA, and 310 to 300 in the case of FEP. 360 ° C is preferred.
The extrusion rate (g / min) of the polymer is such that the contact time between the strand and the gas containing the fluorine gas and the strand diameter are described later according to the number of holes in the die 12, the hole diameter, and the length of the fluorination tank 13. What is necessary is just to set suitably so that it may become a range.

フッ素化の効率を高めるためには、ダイ12を通過する温度における重合体の溶融粘度を適宜調整することが好ましい。該溶融粘度は、たとえば共重合体(A)の場合、1000〜7000Pa・secが好ましい。溶融粘度が高すぎると、重合体の押し出しが困難になるおそれがある。溶融粘度が低すぎると、ストランドが速く落下し、フッ素ガスを含むガスとの接触時間が短くなって不安定末端基のフッ素化が不充分となるおそれがある。
重合体のTQは、150℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましい。重合体のTQは、350℃以下が好ましく、300℃以下がより好ましい。
TQ値(単位:℃)は、重合体の分子量の指標であり、長さ1mm、内径1mmのノズルを用い、2.94MPaの押出し圧力の条件でポリマーの溶融押出しを行った際の押出し量が100mm/秒となる温度である。
In order to increase the efficiency of fluorination, it is preferable to appropriately adjust the melt viscosity of the polymer at the temperature passing through the die 12. For example, in the case of the copolymer (A), the melt viscosity is preferably 1000 to 7000 Pa · sec. If the melt viscosity is too high, it may be difficult to extrude the polymer. If the melt viscosity is too low, the strands drop quickly, and the contact time with a gas containing fluorine gas is shortened, and the fluorination of unstable terminal groups may be insufficient.
The polymer TQ is preferably 150 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher. The TQ of the polymer is preferably 350 ° C. or less, and more preferably 300 ° C. or less.
The TQ value (unit: ° C.) is an index of the molecular weight of the polymer. The extrusion amount when the polymer is melt-extruded under the condition of the extrusion pressure of 2.94 MPa using a nozzle having a length of 1 mm and an inner diameter of 1 mm. The temperature is 100 mm 3 / sec.

ストランドにフッ素ガスを含むガスを接触させる際の温度(フッ素化槽内の温度)は、150〜350℃が好ましい。
具体的には、共重合体(A)の場合、150〜200℃がより好ましく、170〜190℃が特に好ましい。150℃以上とすることにより、不安定末端基を充分にフッ素化できる。200℃以下とすることにより、−SO2 F基の分解が抑えられる。
PFAの場合、300〜350℃がより好ましく、FEPの場合、230〜300℃がより好ましい。
The temperature (temperature in the fluorination tank) when contacting the strand with a gas containing fluorine gas is preferably 150 to 350 ° C.
Specifically, in the case of a copolymer (A), 150-200 degreeC is more preferable, and 170-190 degreeC is especially preferable. By setting the temperature to 150 ° C. or higher, unstable terminal groups can be sufficiently fluorinated. By setting the temperature to 200 ° C. or lower, decomposition of the —SO 2 F group can be suppressed.
In the case of PFA, 300 to 350 ° C. is more preferable, and in the case of FEP, 230 to 300 ° C. is more preferable.

フッ素ガスは、窒素ガス等の不活性ガスで希釈し、混合ガスとしてガス供給口14から供給される。混合ガス中のフッ素ガス濃度は、3〜50体積%である。フッ素ガス濃度が低すぎると、反応の効率が低くなるおそれがありストランドとポリマーが接触する時間が長くなるようにする必要が生じ、生産効率上好ましくない。より好ましくは5体積%以上である。また、フッ素ガス濃度が高すぎるとポリマーの分解を起こす危険性があり、それを安全に行うための設備を設置する必要があるなどコスト面で好ましくない。より好ましくは25体積%以下である。
フッ素化槽13内の圧力は、1MPa(ゲージ圧力)以下が好ましく、0〜0.5MPaがより好ましい。フッ素化槽13内の圧力は、ガス排気口15からの排気量を調節することによって一定に保たれる。
フッ素ガスは、該ポリマーストランドへ吸収され拡散することで不安定末端基と反応する。希釈ガスとして用いられている窒素ガスなどの不活性ガスも該ポリマー中に溶解するが、反応を阻害することはない。また、不活性ガスが該ストランド中に気泡として存在し、脱ガスに効率を低下させるようなことは起きない。一方、例えば押出機中でポリマーにガスを接触させたり、ポリマーに力を加えながらガスと接触させる場合は気泡が細かく分散してしまい、脱ガス処理に時間を要する。
The fluorine gas is diluted with an inert gas such as nitrogen gas and supplied as a mixed gas from the gas supply port 14. The fluorine gas concentration in the mixed gas is 3 to 50% by volume. If the fluorine gas concentration is too low, the efficiency of the reaction may be lowered, and it becomes necessary to increase the time for the strand and the polymer to come into contact with each other, which is not preferable in terms of production efficiency. More preferably, it is 5 volume% or more. Further, if the fluorine gas concentration is too high, there is a risk of causing decomposition of the polymer, and it is not preferable in terms of cost because it is necessary to install equipment for performing it safely. More preferably, it is 25 volume% or less.
The pressure in the fluorination tank 13 is preferably 1 MPa (gauge pressure) or less, and more preferably 0 to 0.5 MPa. The pressure in the fluorination tank 13 is kept constant by adjusting the exhaust amount from the gas exhaust port 15.
The fluorine gas is absorbed into the polymer strand and diffuses to react with unstable end groups. An inert gas such as nitrogen gas used as a diluent gas also dissolves in the polymer, but does not inhibit the reaction. In addition, the inert gas exists as bubbles in the strand, and the efficiency of degassing does not decrease. On the other hand, for example, when a gas is brought into contact with a polymer in an extruder, or when a gas is brought into contact with a polymer while applying force to the polymer, bubbles are finely dispersed and degassing treatment takes time.

ストランド径は、最も細いところ(フッ素化槽の底部近傍)で、0.1〜1mmが好ましく、0.1〜0.3mmが好ましい。ストランド径を0.1mm以上とすることにより、ストランドが切れにくくなる。ストランド径を1mm以下とすることにより、不安定末端基を充分にフッ素化できる。   The strand diameter is preferably 0.1 to 1 mm, more preferably 0.1 to 0.3 mm, at the narrowest part (near the bottom of the fluorination tank). When the strand diameter is 0.1 mm or more, the strand is difficult to break. By setting the strand diameter to 1 mm or less, unstable terminal groups can be sufficiently fluorinated.

ストランドとフッ素ガスを含むガスとの接触時間は、5〜30分が好ましい。接触時間を5分以上とすることにより、不安定末端基を充分にフッ素化できる。接触時間は30分を超えても問題はないが、処理効率の観点から30分以下が好ましい。接触時間は、処理量(ml/分)をダイの孔の総面積で除することでダイの線速度(m/秒)を求め、降下距離(フッ素化槽12の高さ)を線速度で除することにより求められる。   The contact time between the strand and the gas containing fluorine gas is preferably 5 to 30 minutes. By setting the contact time to 5 minutes or longer, the unstable terminal group can be sufficiently fluorinated. There is no problem even if the contact time exceeds 30 minutes, but 30 minutes or less is preferable from the viewpoint of processing efficiency. The contact time is obtained by dividing the throughput (ml / min) by the total area of the die holes to obtain the linear velocity (m / sec) of the die, and the descending distance (height of the fluorination tank 12) by the linear velocity. It is calculated by dividing.

〔形態例2〕
(パーフルオロポリマーの製造装置)
図2は、本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。パーフルオロポリマーの製造装置20は、溶融・押出手段11と、該溶融・押出手段11の先端に取り付けられた、複数の孔が形成されたダイ12と、該ダイ12が頭部に取り付けられたフッ素化槽13と、フッ素化槽13のポリマー取り出し口に接続された取り出し管21と、取り出し管21の途中に設けられたポンプ22とを具備するものである。
[Example 2]
(Perfluoropolymer production equipment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the perfluoropolymer production apparatus of the present invention. The perfluoropolymer manufacturing apparatus 20 includes a melting / extrusion means 11, a die 12 attached to the tip of the melting / extrusion means 11 and having a plurality of holes, and the die 12 attached to the head. A fluorination tank 13, a take-out pipe 21 connected to a polymer take-out port of the fluorination tank 13, and a pump 22 provided in the middle of the take-out pipe 21 are provided.

溶融・押出手段11、ダイ12、およびフッ素化槽13としては、形態例1と同様のものを用いる。
取り出し管21は、内部がパーフルオロポリマー2で充填されており、フッ素化槽13内のフッ素ガスが取り出し管21を通って外部に漏れ出さないように、パーフルオロポリマー2でシール(マテリアルシール)されている状態にある。
ポンプ22としては、ギアポンプ、単軸押出機等が挙げられる。
As the melting / extrusion means 11, the die 12, and the fluorination tank 13, the same ones as those in the first embodiment are used.
The take-out pipe 21 is filled with perfluoropolymer 2 and sealed with perfluoropolymer 2 so that the fluorine gas in the fluorination tank 13 does not leak outside through the take-out pipe 21 (material seal). It is in a state that has been.
Examples of the pump 22 include a gear pump and a single screw extruder.

(パーフルオロポリマーの製造方法)
パーフルオロポリマーの製造装置20を用いたパーフルオロポリマーの製造は、以下のように行われる。
(i)〜(iv)は、形態例1と同様に行う。
(v)取り出し管21がパーフルオロポリマー2で充分にマテリアルシールされた状態で、ポンプ22の運転を開始し、パーフルオロポリマー2を取り出し管21から連続的に取り出す。
該(ii)から(v)工程は、図2に示すように、各工程を実施する溶融・押出手段11、ダイ12、フッ素化槽13、取り出し管21およびポンプ22が連なって一体に設けられたパーフルオロポリマーの製造装置20によって、連続的に行われる。
(Method for producing perfluoropolymer)
The production of perfluoropolymer using the perfluoropolymer production apparatus 20 is performed as follows.
(I) to (iv) are performed in the same manner as in the first embodiment.
(V) In a state where the take-out pipe 21 is sufficiently material-sealed with the perfluoropolymer 2, the operation of the pump 22 is started, and the perfluoropolymer 2 is taken out from the take-out pipe 21 continuously.
In steps (ii) to (v), as shown in FIG. 2, the melting / extrusion means 11, the die 12, the fluorination tank 13, the take-out pipe 21 and the pump 22 for performing each step are integrally provided. The perfluoropolymer production apparatus 20 continuously performs the process.

〔形態例3〕
(パーフルオロポリマーの製造装置)
図3は、本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。パーフルオロポリマーの製造装置30は、溶融・押出手段11と、該溶融・押出手段11の先端に取り付けられた、複数の孔が形成されたダイ12と、該ダイ12が頭部に取り付けられたフッ素化槽13と、脱気槽31と、一端がフッ素化槽13内に位置し、他端が脱気槽31に接続する取り出し管32とを具備するものである。
[Example 3]
(Perfluoropolymer production equipment)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing another example of the perfluoropolymer production apparatus of the present invention. The perfluoropolymer production apparatus 30 includes a melting / extrusion means 11, a die 12 attached to the tip of the melting / extrusion means 11 and having a plurality of holes, and the die 12 attached to the head. A fluorination tank 13, a deaeration tank 31, and a take-out pipe 32 having one end located in the fluorination tank 13 and the other end connected to the deaeration tank 31 are provided.

溶融・押出手段11、ダイ12、およびフッ素化槽13としては、形態例1と同様のものを用いる。
脱気槽31は、頭部に複数の孔が形成されたダイ33、側面に脱気口34、底部にポリマー取り出し口35を有するものである。
取り出し管32は、一端にポリマー受け36が形成された管であり、フッ素化槽13内のフッ素ガスが取り出し管32を通って脱気槽31に漏れ出さないように、パーフルオロポリマーでシール(マテリアルシール)されている状態にある。
As the melting / extrusion means 11, the die 12, and the fluorination tank 13, the same ones as those in the first embodiment are used.
The deaeration tank 31 has a die 33 having a plurality of holes formed in the head, a deaeration port 34 on the side surface, and a polymer outlet 35 on the bottom.
The take-out pipe 32 is a pipe having a polymer receiver 36 formed at one end, and sealed with perfluoropolymer so that the fluorine gas in the fluorination tank 13 does not leak into the deaeration tank 31 through the take-out pipe 32 ( The material is sealed.

(パーフルオロポリマーの製造方法)
パーフルオロポリマーの製造装置30を用いたパーフルオロポリマーの製造は、以下のように行われる。
(i)〜(iv)は、形態例1と同様に行う。
(v)取り出し管32がパーフルオロポリマーで充分にマテリアルシールされた状態で、脱気口34から脱気槽31内のガスの脱気を行う。フッ素化槽13と脱気槽31との差圧によってパーフルオロポリマーを脱気槽31に導入する。
(vi)パーフルオロポリマーをダイ33に通してストランド3とする。
(vii)ストランド3を脱気槽31内で降下させながら、該ストランド3内に残存するフッ素ガスを脱気する。
(viii)脱気槽31の底部に溜まったパーフルオロポリマー4をポリマー取り出し口35から取り出す。
該(ii)から(viii)工程は、図3に示すように、各工程を実施する溶融・押出手段11、ダイ12、フッ素化槽13、取り出し管32および脱気槽31が連なって一体に設けられたパーフルオロポリマーの製造装置30によって、連続的に行われる。
(Method for producing perfluoropolymer)
Perfluoropolymer production using the perfluoropolymer production apparatus 30 is performed as follows.
(I) to (iv) are performed in the same manner as in the first embodiment.
(V) The gas in the deaeration tank 31 is degassed from the deaeration port 34 in a state where the take-out pipe 32 is sufficiently material-sealed with perfluoropolymer. The perfluoropolymer is introduced into the degassing tank 31 by the differential pressure between the fluorination tank 13 and the degassing tank 31.
(Vi) The perfluoropolymer is passed through the die 33 to form a strand 3.
(Vii) While lowering the strand 3 in the degassing tank 31, the fluorine gas remaining in the strand 3 is degassed.
(Viii) The perfluoropolymer 4 accumulated at the bottom of the deaeration tank 31 is taken out from the polymer outlet 35.
As shown in FIG. 3, the steps (ii) to (viii) are performed by integrating the melting / extrusion means 11, the die 12, the fluorination tank 13, the take-out pipe 32, and the deaeration tank 31 that perform each process. The continuous perfluoropolymer production apparatus 30 is used.

脱気槽31内の圧力は、フッ素化槽13内の圧力よりも0.1〜0.6MPa(ゲージ圧力)低くすることが好ましい。
パーフルオロポリマーの粘度が高く、差圧によってパーフルオロポリマーを脱気槽31に導入できない場合は、取り出し管32にポンプを設けてもよい。
The pressure in the deaeration tank 31 is preferably 0.1 to 0.6 MPa (gauge pressure) lower than the pressure in the fluorination tank 13.
When the perfluoropolymer has a high viscosity and cannot be introduced into the deaeration tank 31 due to the differential pressure, a pump may be provided in the take-out pipe 32.

〔形態例4〕
(パーフルオロポリマーの製造装置)
図4は、本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。パーフルオロポリマーの製造装置40は、溶融・押出手段11と、該溶融・押出手段11の先端に取り付けられた、複数の孔が形成されたダイ12と、該ダイ12が頭部に取り付けられたフッ素化槽13と、二軸押出機41と、一端がフッ素化槽13のポリマー取り出し口に接続され、他端が二軸押出機41のポリマー供給口に接続された取り出し管42と、二軸押出機41の先端に取り付けられたダイ43と、ペレタイザ44とを具備するものである。
[Example 4]
(Perfluoropolymer production equipment)
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing another example of the perfluoropolymer production apparatus of the present invention. The perfluoropolymer manufacturing apparatus 40 includes a melting / extrusion means 11, a die 12 attached to the tip of the melting / extrusion means 11 and having a plurality of holes, and the die 12 attached to the head. A fluorination tank 13, a twin screw extruder 41, a discharge pipe 42 having one end connected to the polymer outlet of the fluorination tank 13 and the other end connected to a polymer supply port of the twin screw extruder 41, A die 43 attached to the tip of the extruder 41 and a pelletizer 44 are provided.

溶融・押出手段11、ダイ12、およびフッ素化槽13としては、形態例1と同様のものを用いる。
二軸押出機41は、ベントポート45を有するものであり、パーフルオロポリマー2の脱気を行うものである。
取り出し管42は、フッ素化槽13内のフッ素ガスが取り出し管42を通って二軸押出機41に漏れ出さないように、パーフルオロポリマー2でシール(マテリアルシール)されている状態にある。
ダイ43は、二軸押出機41から押し出されたパーフルオロポリマー2をストランド5にするものである。
ペレタイザ44は、ストランド5を切断してパーフルオロポリマーのペレットを作製するものである。
As the melting / extrusion means 11, the die 12, and the fluorination tank 13, the same ones as those in the first embodiment are used.
The twin-screw extruder 41 has a vent port 45 and performs degassing of the perfluoropolymer 2.
The take-out pipe 42 is in a state (material seal) sealed with the perfluoropolymer 2 so that the fluorine gas in the fluorination tank 13 does not leak into the twin-screw extruder 41 through the take-out pipe 42.
The die 43 turns the perfluoropolymer 2 extruded from the twin screw extruder 41 into a strand 5.
The pelletizer 44 cuts the strands 5 to produce perfluoropolymer pellets.

(パーフルオロポリマーの製造方法)
パーフルオロポリマーの製造装置40を用いたパーフルオロポリマーの製造は、以下のように行われる。
(i)〜(iv)は、形態例1と同様に行う。
(v)取り出し管42がパーフルオロポリマー2で充分にマテリアルシールされた状態で、二軸押出機41の運転を開始し、パーフルオロポリマー2を二軸押出機41に導入する。
(vi)二軸押出機41にてパーフルオロポリマー2を溶融しながら、該パーフルオロポリマー2内に残存するフッ素ガスを脱気する。
(vii)二軸押出機41から押し出されたパーフルオロポリマー2をダイ43に通してストランド5とする。
(viii)ペレタイザ44にてストランド5を切断し、パーフルオロポリマーのペレットを得る。
該(ii)から(viii)工程は、図3に示すように、各工程を実施する溶融・押出手段11、ダイ12、フッ素化槽13、取り出し管42、二軸押出機41およびペレタイザ44が連なって設けられたパーフルオロポリマーの製造装置40によって、連続的に行われる。
(Method for producing perfluoropolymer)
The production of perfluoropolymer using the perfluoropolymer production apparatus 40 is performed as follows.
(I) to (iv) are performed in the same manner as in the first embodiment.
(V) In a state where the take-out pipe 42 is sufficiently material-sealed with the perfluoropolymer 2, the operation of the twin screw extruder 41 is started, and the perfluoropolymer 2 is introduced into the twin screw extruder 41.
(Vi) While the perfluoropolymer 2 is melted by the twin-screw extruder 41, the fluorine gas remaining in the perfluoropolymer 2 is degassed.
(Vii) The perfluoropolymer 2 extruded from the twin-screw extruder 41 is passed through a die 43 to form a strand 5.
(Viii) The strand 5 is cut by the pelletizer 44 to obtain perfluoropolymer pellets.
As shown in FIG. 3, the steps (ii) to (viii) include a melting / extrusion means 11, a die 12, a fluorination tank 13, a take-out pipe 42, a twin screw extruder 41, and a pelletizer 44 that perform each step. It is carried out continuously by the perfluoropolymer production apparatus 40 provided in series.

パーフルオロポリマー2の溶融温度(二軸押出機41の温度)は、溶融・押出手段11内における重合体の溶融温度と同程度でよい。   The melting temperature of the perfluoropolymer 2 (the temperature of the twin-screw extruder 41) may be approximately the same as the melting temperature of the polymer in the melting / extrusion means 11.

〔用途〕
本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で得られたパーフルオロポリマーは、化学プラント、半導体製造装置等のコーティング;電線、光ファイバ等の被覆;自動車部品等に用いられる。
特に、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーに加水分解処理および酸型化処理を施すことによって、−SO2 F基を−SO3 H基に変換したパーフルオロポリマーは、固体高分子形燃料電池用電解質膜を構成する電解質ポリマー、該燃料電池用のアノードおよびカソードに含まれる電解質ポリマーとして有用である。
以下、固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法について説明する。
[Use]
The perfluoropolymer obtained by the method for producing a perfluoropolymer of the present invention is used in coatings for chemical plants, semiconductor manufacturing apparatuses, etc .; coatings for electric wires, optical fibers, etc .;
In particular, a perfluoropolymer obtained by converting a —SO 2 F group into a —SO 3 H group by subjecting a perfluoropolymer having —SO 2 F groups to hydrolysis and acidification treatment is a solid polymer fuel. It is useful as an electrolyte polymer included in an electrolyte polymer constituting an electrolyte membrane for a battery, and an anode and a cathode for the fuel cell.
Hereinafter, a method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell will be described.

固体高分子形燃料電池用電解質膜は、(i)本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で得られた、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーを成形して膜とし、該膜に加水分解処理および酸型化処理を施す方法、または(ii)本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で得られた、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーに加水分解処理および酸型化処理を施し、処理後のパーフルオロポリマーを成形して膜とする方法によって製造される。 The electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is obtained by molding (i) a perfluoropolymer having a —SO 2 F group obtained by the perfluoropolymer production method of the present invention into a membrane, and hydrolyzing the membrane. Hydrolysis treatment and acidification treatment are performed on the perfluoropolymer having a —SO 2 F group obtained by the method of performing the treatment and the acidification treatment, or (ii) the perfluoropolymer production method of the present invention, It is manufactured by a method in which a perfluoropolymer after treatment is formed into a film.

パーフルオロポリマーを膜に成形する方法としては、押出成形法、キャスト法等が挙げられる。   Examples of the method for forming a perfluoropolymer into a film include an extrusion molding method and a casting method.

加水分解処理は、たとえば、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーまたはその膜を、アルカリ性水溶液に接触させることにより行われる。アルカリ性水溶液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等が挙げられる。アルカリ性水溶液には、メタノール等のアルコールが含まれていてもよい。 The hydrolysis treatment is performed, for example, by bringing a perfluoropolymer having a —SO 2 F group or a membrane thereof into contact with an alkaline aqueous solution. Examples of the alkaline aqueous solution include a potassium hydroxide aqueous solution and a sodium hydroxide aqueous solution. The alkaline aqueous solution may contain an alcohol such as methanol.

酸型化処理は、たとえば、加水分解処理されたパーフルオロポリマーまたはその膜を、酸性液に接触させることにより行われる。酸性液としては、硫酸、硝酸、塩酸等が挙げられる。酸型化処理の後には、パーフルオロポリマーまたはその膜を水洗することが好ましい。   The acidification treatment is performed, for example, by bringing a hydrolyzed perfluoropolymer or a film thereof into contact with an acidic liquid. Examples of the acidic liquid include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid and the like. After the acidification treatment, the perfluoropolymer or its film is preferably washed with water.

固体高分子形燃料電池用電解質膜として用いる場合の−SO3 H基の濃度、すなわちイオン交換容量は、0.5〜2.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂が好ましく、0.7〜1.6ミリ当量/グラム乾燥樹脂が特に好ましい。イオン交換容量を0.5ミリ当量/グラム乾燥樹脂以上とすることにより、抵抗の小さく電解質膜となる。イオン交換容量を2.0ミリ当量/グラム乾燥樹脂以下とすることにより、機械的強度の高い電解質膜となる。 When used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, the concentration of —SO 3 H groups, that is, the ion exchange capacity is preferably 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, and 0.7 to 1.6. A milliequivalent / gram dry resin is particularly preferred. By setting the ion exchange capacity to 0.5 meq / g dry resin or more, an electrolyte membrane with low resistance is obtained. By setting the ion exchange capacity to 2.0 meq / g dry resin or less, an electrolyte membrane having high mechanical strength is obtained.

−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーまたはその膜の耐久性は、フェントン試薬浸漬試験にて評価できる。該試験は、過酸化水素および2価の鉄イオンを含むフェントン試薬にポリマーを浸漬し、ポリマーの分解によってフェントン試薬に溶出するフッ素イオンを測定する試験である。フェントン試薬浸漬試験の条件は、通常、過酸化水素の濃度1〜30質量%、2価の鉄イオンの濃度10〜500ppm、浸漬温度25〜90℃、浸漬時間0.5〜24時間である。本発明により得られるパーフルオロポリマーは末端基が安定しているため、溶出するイオンの量が少ない。したがって固体高分子形燃料電池用の電解質膜として用いた場合、耐久性に優れる固体高分子形燃料電池を提供できる。 The durability of a perfluoropolymer having a —SO 3 H group or a film thereof can be evaluated by a Fenton reagent immersion test. The test is a test in which a polymer is immersed in a Fenton reagent containing hydrogen peroxide and divalent iron ions, and fluorine ions eluted into the Fenton reagent due to polymer degradation are measured. The conditions of the Fenton reagent immersion test are usually a hydrogen peroxide concentration of 1 to 30% by mass, a divalent iron ion concentration of 10 to 500 ppm, an immersion temperature of 25 to 90 ° C., and an immersion time of 0.5 to 24 hours. Since the perfluoropolymer obtained by the present invention has stable end groups, the amount of ions to be eluted is small. Therefore, when used as an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell having excellent durability can be provided.

以上説明した本発明のパーフルオロポリマーの製造方法にあっては、パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を押出成形してストランドとし、該ストランドにフッ素ガスを含むガスを接触させるため、従来のシートにフッ素ガスを含むガスを接触させる方法に比べ、短時間でフッ素化処理を行うことができる。また、ストランドは連続的に供給できるため、連続してフッ素化処理を行うことができる。その結果、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーを効率よく製造できる。また、フッ素化処理によって不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーをフッ素化槽から連続的に取り出せば、不安定末端基が低減されたパーフルオロポリマーをさらに効率よく製造できる。   In the method for producing a perfluoropolymer of the present invention described above, a polymer obtained by polymerizing a perfluoromonomer is extruded to form a strand, and a gas containing fluorine gas is brought into contact with the strand. The fluorination treatment can be performed in a shorter time compared to the conventional method in which a gas containing fluorine gas is brought into contact with the sheet. Moreover, since a strand can be supplied continuously, a fluorination process can be performed continuously. As a result, it is possible to efficiently produce a perfluoropolymer with reduced unstable end groups. In addition, if the perfluoropolymer having unstable terminal groups reduced by the fluorination treatment is continuously taken out from the fluorination tank, the perfluoropolymer having reduced unstable terminal groups can be produced more efficiently.

また、本発明のパーフルオロポリマーの製造方法にあっては、パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を押出成形してストランドとし、該ストランドにフッ素ガスを含むガスを接触させるため、ストランドとフッ素ガスを含むガスとの接触時において、機械的な摺動部を伴わない。つまり、腐食環境における機械的な摺動による反応器材質からのコンタミを抑制する効果を有する。
また、本発明の固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法にあっては、本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で得られた、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーを用いているため、耐久性に優れた固体高分子形燃料電池用電解質膜を効率よく製造できる。
In the method for producing a perfluoropolymer of the present invention, the polymer obtained by polymerizing the perfluoromonomer is extruded to form a strand, and the strand is brought into contact with a gas containing fluorine gas. There is no mechanical sliding part when contacting with a gas containing fluorine gas. That is, it has the effect of suppressing contamination from the reactor material due to mechanical sliding in a corrosive environment.
In the method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a perfluoropolymer having a —SO 2 F group obtained by the method for producing a perfluoropolymer of the present invention is used. Therefore, an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell excellent in durability can be efficiently produced.

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されない。
例1、2、5〜9は実施例であり、例3、4は比較例である。
(TQ値)
フローテスタCFT−500A(島津製作所社製)を用い、温度を変えて重合体の押出し量を測定し、押出し量が100mm/秒となるTQ値を求めた。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Examples 1, 2, and 5 to 9 are examples, and examples 3 and 4 are comparative examples.
(TQ value)
Using a flow tester CFT-500A (manufactured by Shimadzu Corporation), the extrusion amount of the polymer was measured while changing the temperature, and the TQ value at which the extrusion amount was 100 mm 3 / second was determined.

〔例1〕
テトラフルオロエチレンとCF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF22SO2Fとの共重合体(A−1)の粉末を準備した。共重合体(A−1)に後述の加水分解処理および酸型化処理を施して得られた、−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーのイオン交換容量は、1.1ミリ当量/グラム乾燥樹脂であった。共重合体(A−1)のTQは、220℃であった。
パーフルオロポリマーの製造装置としては、図1に示す構成のものを用いた。
[Example 1]
A powder of a copolymer (A-1) of tetrafluoroethylene and CF 2 ═CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 2 SO 2 F was prepared. The ion exchange capacity of the perfluoropolymer having a —SO 3 H group obtained by subjecting the copolymer (A-1) to the hydrolysis treatment and acidification treatment described later is 1.1 meq / g dry. Resin. The TQ of the copolymer (A-1) was 220 ° C.
As a perfluoropolymer production apparatus, the apparatus shown in FIG. 1 was used.

共重合体(A−1)を単軸押出機(Randcastle社製、φ12.7mm)にて230℃で溶融し、押出速度2.7g/分でダイへ押し出した。単軸押出機とフッ素化槽とのつなぎ部分の温度は200℃とした。押し出された溶融重合体Aをダイの3つの孔(φ3mm)に通してストランドとした。ストランドを15Lのフッ素化槽内で降下させながら、該ストランドにフッ素ガスを含むガスを接触させた。フッ素化槽内の温度は190℃とし、圧力は0.2MPaとした。フッ素化槽には、フッ素ガス7.5体積%と窒素ガス92.5体積%との混合ガスを連続的に300ml/分で供給し、フッ素化槽内のガスを、フッ素化槽内の圧力が一定になるように排気した。ストランド径は、ストランドの最下端でφ0.3mmであった。   The copolymer (A-1) was melted at 230 ° C. with a single-screw extruder (Randcastle, φ12.7 mm) and extruded to a die at an extrusion speed of 2.7 g / min. The temperature of the connecting portion between the single screw extruder and the fluorination tank was 200 ° C. The extruded molten polymer A was passed through three holes (φ3 mm) of the die to form a strand. While the strand was lowered in a 15 L fluorination tank, a gas containing fluorine gas was brought into contact with the strand. The temperature in the fluorination tank was 190 ° C., and the pressure was 0.2 MPa. A mixed gas of 7.5% by volume of fluorine gas and 92.5% by volume of nitrogen gas is continuously supplied to the fluorination tank at 300 ml / min, and the gas in the fluorination tank is supplied to the pressure in the fluorination tank. Was exhausted so that was constant. The strand diameter was 0.3 mm at the lowest end of the strand.

フッ素化槽に共重合体(A−1)を30分間供給した後、フッ素化槽内のガスを抜き出し、フッ素化槽内のガスを窒素ガスに置換した。フッ素化槽内の温度が室温まで下がった後、フッ素化槽の底部に溜まったパーフルオロポリマーを取り出した。
パーフルオロポリマーを、20質量%のメタノールおよび10質量%の水酸化カリウムを含有するアルカリ水溶液に浸漬して、加水分解処理を行った。ついで、パーフルオロポリマーを硫酸で洗浄して酸型化処理を行い、さらにイオン交換水で洗浄することにより、−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーを得た。
After supplying the copolymer (A-1) to the fluorination tank for 30 minutes, the gas in the fluorination tank was extracted, and the gas in the fluorination tank was replaced with nitrogen gas. After the temperature in the fluorination tank dropped to room temperature, the perfluoropolymer collected at the bottom of the fluorination tank was taken out.
The perfluoropolymer was immersed in an alkaline aqueous solution containing 20% by mass of methanol and 10% by mass of potassium hydroxide to perform a hydrolysis treatment. Next, the perfluoropolymer was washed with sulfuric acid for acidification treatment, and further washed with ion exchange water to obtain a perfluoropolymer having —SO 3 H groups.

(フェントン試薬浸漬試験)
−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーを、窒素ガスを流したグローブボックス中に24時間保持し、約0.1gをグローブボックス中で秤量した。−SO3 H基を有するパーフルオロポリマーを、3質量%の過酸化水素および200ppmの2価の鉄イオンを含むフェントン試薬50gに40℃で16時間浸漬した。ポリマーを取り除いた後、フェントン試薬の質量を測定し、フェントン試薬中のフッ素イオン濃度をイオンメータで測定し、フッ素イオン溶出量を計算した。フッ素イオン溶出量は、0.0015%であった。
(Fenton reagent immersion test)
The perfluoropolymer having —SO 3 H groups was kept in a glove box with nitrogen gas flowing for 24 hours, and about 0.1 g was weighed in the glove box. A perfluoropolymer having —SO 3 H groups was immersed in 50 g of a Fenton reagent containing 3% by mass of hydrogen peroxide and 200 ppm of divalent iron ions at 40 ° C. for 16 hours. After removing the polymer, the mass of the Fenton reagent was measured, the fluorine ion concentration in the Fenton reagent was measured with an ion meter, and the fluorine ion elution amount was calculated. The fluorine ion elution amount was 0.0015%.

〔例2〕
押出速度を5.6g/分に変更した以外は、例1と同様にして共重合体(A−1)のフッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。ストランド径は、最も細いところでφ0.6mmであった。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.0068%であった。
[Example 2]
The copolymer (A-1) was fluorinated in the same manner as in Example 1 except that the extrusion speed was changed to 5.6 g / min, to obtain a perfluoropolymer. The strand diameter was φ0.6 mm at the narrowest point.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.0068% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例3(比較例)〕
フッ素化処理していない共重合体(A−1)について、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.063%であった。
[Example 3 (comparative example)]
The copolymer (A-1) not subjected to fluorination treatment was subjected to a Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.063% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例4(比較例)〕
200mlのニッケル製反応器を準備した。該反応器内に共重合体(A−1)5gを仕込み、例1と同じ混合ガスを圧力0.25MPaまで仕込み、180℃にて4時間保持し、フッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.005%であった。
[Example 4 (comparative example)]
A 200 ml nickel reactor was prepared. The reactor (5) was charged with 5 g of the copolymer (A-1), the same mixed gas as in Example 1 was charged to a pressure of 0.25 MPa, held at 180 ° C. for 4 hours, fluorinated, and the perfluoropolymer was Obtained.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.005% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例5〕
フッ素化処理を開始する前にフッ素化槽内に混合ガスを0.2MPaとなるように仕込み、混合ガスを追加供給しない以外は、例1と同様にして共重合体(A−1)のフッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.0006%であった。
[Example 5]
Before starting the fluorination treatment, the mixed gas was charged to 0.2 MPa in the fluorination tank, and the fluorine of the copolymer (A-1) was the same as in Example 1 except that the mixed gas was not additionally supplied. To obtain a perfluoropolymer.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.0006% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例6〕
フッ素化処理を開始する前にフッ素化槽内に混合ガスを0.1MPaとなるように仕込み、混合ガスを追加供給しない以外は、例1と同様にして共重合体(A−1)のフッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.0069%であった。
[Example 6]
Before starting the fluorination treatment, the mixed gas is charged to 0.1 MPa in the fluorination tank, and the fluorine of the copolymer (A-1) is the same as in Example 1 except that the mixed gas is not additionally supplied. To obtain a perfluoropolymer.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.0069% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例7〕
フッ素化処理を開始する前にフッ素化槽内に混合ガスを0.01MPaとなるように仕込み、混合ガスを追加供給しない以外は、例1と同様にして共重合体(A−1)のフッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、浸漬したポリマー中の全フッ素量の0.0045%であった。
[Example 7]
Before starting the fluorination treatment, the mixed gas is charged to 0.01 MPa in the fluorination tank, and the fluorine of the copolymer (A-1) is the same as in Example 1 except that the mixed gas is not additionally supplied. To obtain a perfluoropolymer.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was 0.0045% of the total fluorine amount in the immersed polymer.

〔例8〕
パーフルオロポリマーの製造装置として、図3に示す構成のものを用いてフッ素化槽の底部に溜まったパーフルオロポリマーを連続的に取り出しながらフッ素化処理を行い、フッ素化槽内の圧力を0.3MPaとした以外は、例1と同様にして共重合体(A−1)のフッ素化処理を行い、パーフルオロポリマーを得た。
得られたパーフルオロポリマーについて、例1と同様にしてフェントン試薬浸漬試験を行った。フッ素イオン溶出量は、測定限界以下であった。
[Example 8]
As the perfluoropolymer production apparatus, the apparatus shown in FIG. 3 is used to perform the fluorination treatment while continuously taking out the perfluoropolymer accumulated at the bottom of the fluorination tank. The copolymer (A-1) was fluorinated in the same manner as in Example 1 except that the pressure was 3 MPa to obtain a perfluoropolymer.
The obtained perfluoropolymer was subjected to the Fenton reagent immersion test in the same manner as in Example 1. The fluorine ion elution amount was below the measurement limit.

〔例9〕
例1で得られた、フッ素化槽から取り出されたパーフルオロポリマーについて、プレス成形して厚さ約30μmの膜を作製した。得られた膜に対し加水分解、酸型化処理を行って、−SO2 F基を−SO3 H基に変換した。この膜はクラック等のない良好な膜であった。
[Example 9]
The perfluoropolymer taken out from the fluorination tank obtained in Example 1 was press-molded to produce a film having a thickness of about 30 μm. The obtained membrane was hydrolyzed and acidified to convert —SO 2 F groups into —SO 3 H groups. This film was a good film without cracks.

本発明のパーフルオロポリマーの製造方法で得られた、−SO2 F基を有するパーフルオロポリマーは、不安定末端基が低減されており、耐久性に優れた固体高分子形燃料電池用電解質膜の原料として特に有用である。 The perfluoropolymer having a —SO 2 F group obtained by the method for producing a perfluoropolymer of the present invention has a reduced unstable terminal group and is excellent in durability for an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell It is particularly useful as a raw material.

本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the manufacturing apparatus of the perfluoropolymer of this invention. 本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the manufacturing apparatus of the perfluoropolymer of this invention. 本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the manufacturing apparatus of the perfluoropolymer of this invention. 本発明のパーフルオロポリマーの製造装置の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of the manufacturing apparatus of the perfluoropolymer of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ストランド
10 パーフルオロポリマーの製造装置
11 溶融・押出手段
12 ダイ
13 フッ素化槽
20 パーフルオロポリマーの製造装置
30 パーフルオロポリマーの製造装置
40 パーフルオロポリマーの製造装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Strand 10 Perfluoropolymer manufacturing apparatus 11 Melting / extrusion means 12 Die 13 Fluorination tank 20 Perfluoropolymer manufacturing apparatus 30 Perfluoropolymer manufacturing apparatus 40 Perfluoropolymer manufacturing apparatus

Claims (8)

パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を押出成形してストランドとし、該ストランドにフッ素ガスを3〜50体積%含むガスを接触させる処理を含む、パーフルオロポリマーの製造方法。   A method for producing a perfluoropolymer, comprising a process of extruding a polymer obtained by polymerizing a perfluoromonomer to form a strand, and contacting the strand with a gas containing 3 to 50% by volume of fluorine gas. 150〜350℃にてストランドに前記ガスを接触させる、請求項1に記載のパーフルオロポリマーの製造方法。   The manufacturing method of the perfluoropolymer of Claim 1 which makes the said gas contact a strand at 150-350 degreeC. 重合体が、−SO2 F基を有する、請求項1または2に記載のパーフルオロポリマーの製造方法。 Polymer has a -SO 2 F group, the manufacturing method of the perfluoropolymer according to claim 1 or 2. 重合体が、テトラフルオロエチレンと、下式(1)で表される化合物との共重合体である、請求項3に記載のパーフルオロポリマーの製造方法。
CF2=CF(OCF2CFX)p(O)q(CF2nSO2F・・・(1)
ただし、Xはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であり、pは0〜8の整数であり、qは0または1であり、nは0〜8の整数であり、p+n>0である。
The method for producing a perfluoropolymer according to claim 3, wherein the polymer is a copolymer of tetrafluoroethylene and a compound represented by the following formula (1).
CF 2 = CF (OCF 2 CFX) p (O) q (CF 2 ) n SO 2 F (1)
However, X is a fluorine atom or a trifluoromethyl group, p is an integer of 0 to 8, q is 0 or 1, n is an integer of 0 to 8, and p + n> 0.
パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を溶融・押出手段にて溶融して押し出し、押し出された溶融重合体を複数の孔が形成されたダイに通してストランドとする、請求項1〜4のいずれかに記載のパーフルオロポリマーの製造方法。   The polymer obtained by polymerizing the perfluoromonomer is melted and extruded by a melting / extrusion means, and the extruded molten polymer is passed through a die having a plurality of holes to form a strand. 5. A method for producing a perfluoropolymer according to any one of 4 above. パーフルオロモノマーを重合して得られた重合体を溶融して押し出す溶融・押出手段と、
押し出された溶融重合体をストランドとする、複数の孔が形成されたダイと、
ストランドにフッ素ガスを3〜50体積%含むガスを接触させるフッ素化槽と
を具備する、パーフルオロポリマーの製造装置。
Melting / extrusion means for melting and extruding a polymer obtained by polymerizing perfluoromonomer;
A die in which a plurality of holes are formed with the extruded molten polymer as a strand;
A perfluoropolymer production apparatus, comprising: a fluorination tank in which a strand is brought into contact with a gas containing 3 to 50% by volume of fluorine gas.
請求項3または4に記載のパーフルオロポリマーの製造方法でパーフルオロポリマーを得た後、当該パーフルオロポリマーを成形して膜とし、該膜に加水分解処理および酸型化処理を施す、固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 After obtaining a perfluoropolymer by the method for producing a perfluoropolymer according to claim 3 or 4, the perfluoropolymer is molded into a film, and the film is subjected to hydrolysis treatment and acidification treatment. A method for producing an electrolyte membrane for a molecular fuel cell. 請求項3または4に記載のパーフルオロポリマーの製造方法でパーフルオロポリマーを得た後、当該パーフルオロポリマーに加水分解処理および酸型化処理を施し、処理後のパーフルオロポリマーを成形して膜とする、固体高分子形燃料電池用電解質膜の製造方法。 After obtaining a perfluoropolymer by the method for producing a perfluoropolymer according to claim 3 or 4, the perfluoropolymer is subjected to hydrolysis treatment and acidification treatment, and the treated perfluoropolymer is molded to form a film. A method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell.
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